多糖的代謝如何塑造腸道菌群？

多糖的代謝如何塑造腸道菌群

How glycan metabolism shapesthe human gut microbiota

文獻ID：

發表期刊：Naturereviews

影響因子：26.819

發表時間：2012

通訊作者及單位：

EricC. Martens University of Michigan Medical School

關鍵詞：

多糖代謝；腸道菌群；Sus系統；飲食

摘要：

1. 腸道中共生菌能分解多糖及低聚糖，包括膳食植物（澱粉、半纖維素、果膠）動物來源的軟骨組織（粘多糖、N-多糖）以及宿主自身來源的粘液多糖（O-多糖）；

2.來自飲食以及內源性多糖的含量以及化學組成的波動，塑造了一個動態地、變化的腸道環境，影響著腸道微生物的組成；

3. 本文論述了腸道不同時間、空間的多糖代謝是如何塑造腸道微生物的組成，及單個微生物分解多糖的機制。

1. 多糖塑造腸道菌群

在人類腸道中，一般一類菌僅限於分解一種或幾種類型的多糖Bacteroides thetaiotaomicron能夠分解超過12種，像這種能降解多種多糖的菌稱之為「generalists」，專一性降解某一種多糖的菌稱之為「specialists」，specialists在營養匱乏的情況下更容易缺失，這類菌往往傾向於利用常見的、膳食來源的多糖以及宿主自身的黏液多糖，而來自植物細胞壁以及黏液層的高分子成分較難被利用[1]，如Figure1所示：

植物細胞壁多糖如纖維素、半纖維素、果膠有錯綜複雜組成，尤其是半纖維素與果膠結構僅有細微的差異。胞內植物聚糖如澱粉，可被包裹在不容性的微粒中或以特定化學形式存在，不易被酶降解。烹飪、碾磨等食品加工工藝能影響抗性澱粉的丰度，也會影響腸道微生物對植物聚糖的利用率。內源性的O-和N-連接的多糖化學結構也很複雜，成百上千種不同的結構可以連接在一種糖蛋白上，這就需要黏膜細菌產生許多不同的降解酶對不同類型的聚糖進行高效利用，也恰恰是黏液分泌物中多糖的複雜性與多樣性阻止了細菌的侵襲，保障腸粘膜屏障結構的完整性。

微生物對特定多糖降解的代謝產物如SCFAs，在結腸中被吸收併產生積極效應，丁酸就是在結腸中產生的，並且直接作為能源物質被結腸細胞利用，可以移植結腸腫瘤的生長，乙酸鹽與丙酸鹽則被吸收後進入血液循環，在肝臟中參與脂類與糖類的代謝。

2. 糖類如何促進嬰兒腸道菌群的改變

早期嬰兒飲食來自於母乳或配方奶粉，很多來自飲食的糖類是在斷奶後才可以被利用的。儘管碳水化合物的攝入量有一定波動，內源性的宿主多糖仍可作為一種穩定的微生物營養來源，貫穿宿主的一生，而嬰兒早期腸道內碳水化合物的組成極大的影響了腸道菌群的建立。

母乳中含有上百種結構不同的多糖，初級結構為乳糖、半乳糖、葡萄糖、N-乙醯葡糖胺、藻岩糖、涎酸以及低聚糖（HMOs）。HMOs低聚糖含量豐富，結構複雜，其他哺乳動物中卻沒有，HMOs由支鏈乳糖或者N-乙醯葡糖胺重複單元組成，再由唾液酸與藻岩單糖修飾。HMOs與人血清組織抗原以及粘液中O-連接的結構類似。大多數HMOs並不能直接被人類編碼的酶水解，作為一種天然的「益生元」，HMOs有助於腸道菌的成熟,尤其是對一些特定功能的微生物進行選擇性富集。

嬰兒腸道內主要的微生物與成人差異不大，但比例差異較大。母乳餵養的嬰兒Lactobacillus,Bifidobacterium比例最高,可能與HMOs有關，Bifidobacterium infantis與Bifidobacterium bifidum甚至可以直接代謝HMOs,而Lactobacillus spp.傾向於利用HMOs的單糖組分，這表明嬰兒腸道菌群中消化母乳的微生物是協同發揮作用的[2]。長期食用配方奶粉的嬰兒,由於缺乏母乳中的低聚糖Lactobacillus與Bifidobacterium spp.比例降低,Clostridium spp.,Bacteroides spp以及Enterobacteriaceae的比例增高，其影響還有待評估。營養匱乏時，一些內源性的多糖能夠為某些腸道微生物提供營養，定植於黏液層，而HMOs結構與粘液中O-連接的多糖結構非常類似，見Figure1，因此這些細菌也可能利用HMOs，如B.thetaiotaomicron,分泌的外膜酶系統就能分解粘液中O-連接的多糖[3]。

3. 成人菌群代謝多糖

嬰兒在6個月的時候飲食中的碳水化合物組成會有一個突然的轉變。穀物、水果、蔬菜的攝入導致更多複雜的植物多糖進入腸道，菌群組成也發生改變，Bacteroidetes、以及其他Firmicutes和Actinobacteria更多。菌群在發育過程中存在多個時間點，微生物功能基因更加豐富，其中植物碳水化合物降解有關的基因正是在攝入固體食物之前出現。值得注意的是，植物多糖降解物種的出現是先於飲食結構的改變的，這些微生物來自於口腔-糞便周期性的轉運，並且能靶向利用多糖[4]。

除了特定飲食塑造菌群組成，直接在飲食中添加多糖也能影響物種丰度，如菊粉和小分子多糖，能增加Bifidobacterium spp的丰度，抗性澱粉則能夠直接改變菌群的組成，攝入抗性澱粉2能增加Ruminococcus spp.和Eubacteriumrectale的丰度，並經過發酵產生SCFAs。

4. 短期飲食改變有何影響？

膳食多糖含量的短暫波動會影響到菌群組成，研究認為，飲食結構的轉變在24小時以內就可以引起菌群明顯的改變。蛋白與脂肪能夠被人體靶向吸收，非澱粉類膳食多糖消化率低，其攝入量的改變可以引起菌群的改變，高脂飲食攝入增多，膳食纖維減少，使得可降解粘液多糖的菌得到富集，如B. thetaiotaomicron，能編碼更多降解宿主粘液多糖的酶[5]。

5. 擬桿菌的Sus系統（starchutilization system）

Sus系統是B. thetaiotaomicron降解澱粉的主要機制，Sus系統涉及到8個基因，此系統位於細菌外膜系統，將澱粉綁定在細胞表面，分解成低聚糖，這些片段運輸到周質空間，被進一步降解成單糖如葡糖糖，並輸入到細胞內，整個過程見FFigure2。B. thetaiotaomicron的基因組包含多大88個相關基因簇，每一種都含有至少2個基因（如susCsusD）[6]

a:Bacteroides thetaiotaomicron,依賴於TonB的轉運子，SusC與澱粉綁定脂蛋白SusD,SusE, SusF及SusG結合。其中SusG是糖苷水解酶家族GH13α-澱粉酶。剛開始澱粉被SusG水解成低聚糖，通過SusC與內膜蛋白TonB的結合運輸到周質空間，其中低聚合度的麥芽糖被其他的GH13酶（SusA、SusB）進一步降解為葡萄糖，被分解的麥芽糖在內膜蛋白SusR作用下轉運到細胞周質之中。

b.Bacteroidesovatus,能編碼兩種多糖利用系統，降解半纖維素阿拉伯糖，這裡展示的是PUL系統編碼的糖苷水解酶類。胞外脂蛋白位於細胞外膜OM上，細胞周質酶在內外膜之間，細胞質膜位於內膜之下。此圖表示玉米阿拉伯糖的降解酶組成，B. ovatus的各種多糖水解酶根據單糖連接方式的不同而各不相同，兩種顏色的表示此家族的酶能降解兩種單糖連接方式的阿拉伯糖。

通常微生物一個Sus酶解系統所包含酶的種數直接與多糖靶點的複雜性有關，總結如表1

6. 革蘭氏陽性菌對多糖的利用策略

厚壁菌與放線菌中獨特的ABC轉運系統則是第二大類廣泛存在的多糖降解吸收系統，厚壁菌編碼的多糖水解酶要比擬桿菌少，但ABC轉運系統更多。ABC系統相鄰基因編碼糖苷水解酶類的頻率較高，說明這些基因是協同發揮作用的。放線桿菌也有ABC系統，如B. infantis，編碼的溶質結合蛋白家族1就能利用HMOs與粘液多糖。此外，纖維素體被革蘭氏陽性菌降解在牛瘤胃與土壤中比較常見，對維生素的降解至關重要，厚壁菌的Faecalibacterium,Eubacterium,Ruminococcus可能產生相應的纖維素降解酶。

7. 腸道中代謝多糖的部位與速率

膳食多糖的溶解性各不相同，每一種多糖在腸道不同位置被降解、轉運的速率也不相同。粘液厚度隨腸道成縱向梯度增加，迴腸粘液層最薄，腸內容物轉運時間最短，細菌多，更容易消化多糖，如菊粉與不同支鏈的寡糖（α-阿拉伯聚糖和β-半乳聚糖）。乙狀結腸和直腸粘液最厚，大多是不溶或難消化的多糖，粘液層有內層與外層，細菌定植只發生在外層[7]。如圖Figure3所示：

值得注意的是，胃腸道的長度也與微生物組成的差異性有關，人類腸道（從胃到肛門）長達8米，近端小腸微生物多樣性與密度非常低，只有少數幾種存在，在遠端小腸、迴腸中微生物多樣性與密度升高，這也是大多數膳食多糖發酵的位置。向無菌小鼠移植人類糞便，從小腸到盲腸-結腸，擬桿菌數量從14%增加到42%，腸道中多糖的溶解性與利用率的差異可能是影響腸道菌群組成與分布的重要原因[8]。

了解膳食多糖與腸道微生物時間與空間的分布，有助於操縱區域特異性的微生物，作為一種更精準的益生菌策略改善腸道健康。

8. 微生物食物鏈

各種微生物圍繞著多糖代謝為中心，在體內形成了複雜的食物鏈關係,代謝產物由SCFAs、維生素、氣體如圖Figure4:

不同的膳食成分包括多糖是如何與微生物相互作用的？目前並不清楚。長期食用高膳食纖維能富集到更多Prevotellaspp。長期食用動物脂肪與蛋白富集更多的Bacteroides和Ruminococcus spp。而長待缺乏營養會導致能降解粘液多糖的菌增多，宿主本身的粘液多糖可作為一種備選的營養基礎。

纖維素、半纖維素和果膠（植物來源），多糖和細胞糖蛋白（肉類）等營養素很可能進入遠端腸道被某些微生物初步降解如Roseburia,Eubacterium,Clostridium,Ruminococcus和Bifidobacterium spp.此後，更易溶解的多糖片段被進一步降解、吸收，經發酵後產生SCFAs微生物的發酵有助於下游H2轉化成CH4以及H2S，H2S的代謝需要遊離的SO42-，可以從動物蛋白或硫酸化多糖中獲得，如硫酸軟骨素，H2S的產生對宿主細胞是有毒性的，但在結腸中容易轉化為硫代硫酸鈉，起到解讀的作用。發生粘膜炎症時，硫代硫酸鈉被活性氧轉化為四硫磺酸鹽，會增致病菌強鼠傷寒沙門氏菌的毒性[9]。

9. 多糖的代謝與微生物基因組進化

腸道菌群是腸道環境選擇性壓力與每種微生物基因組共同進化的結果B.thetaiotao micronstr.VPI-5482能編碼296種不同的多糖降解酶（CAZy)，這些酶在人類基因組中並沒有表達，說明人類腸道消化功能與微生物編碼的多糖水解酶存在互補關係。

B.thetaiotaomicron與的16S基因序列上有95%的相似性，在多糖的利用表型上有巨大差異，每個物種貢獻最多20%的基因用於編碼SUS系統，而這些基因早物種之間只有不到三分子是同源的。每個物種的Sus系統是特異的，分布在各自的基因組中，B.thetaiotaomicron降解O-連接的粘液多糖，B.ovatus降解植物細胞壁纖維素成分[10]。因此，這兩個物種Sus系統的差異與其附生的部位有關。腸道菌群區域分布的不同是否會造成微生物表型的多樣性值得進一步研究。

總結：

1.腸道中不同的微生物對多糖的代謝機制各有不同，了解不同多糖的代謝過程有助於理解人類腸道微生物的形成以及短期菌群的變異對人類健康的影響。

2.由於靠近宿主組織，粘液有關的微生物可能與菌群失調情況下，宿主疾病的發生有關。

3.對腸道微生物進行定向操縱，需要深入理解菌群組成以及腸道不同部位的代謝特徵，而多糖的代謝是核心。

References:

[1].Mohnen,D., Pectin structure and biosynthesis. CURRENT OPINION IN PLANTBIOLOGY, 2008. 11(3): p. 266-277.

[2].Kunz,C., et al., Oligosaccharides in human milk: Structural, functional,and metabolic aspects. ANNUAL REVIEW OF NUTRITION, 2000. 20: p.699-722.

[3].Marcobal,A., et al., Bacteroides in the Infant Gut Consume MilkOligosaccharides via Mucus-Utilization Pathways. CELL HOST &MICROBE, 2011. 10(5): p. 507-514.

[4].Kurokawa,K., et al., Comparative metagenomics revealed commonly enriched genesets in human gut microbiomes. DNA RESEARCH, 2007. 14(4): p. 169-181.

[5].Mahowald,M.A., et al., Characterizing a model human gut microbiota composed ofmembers of its two dominant bacterial phyla. PROCEEDINGS OF THENATIONAL ACADEMY OF SCIENCES OF THE UNITED STATES OF AMERICA, 2009.106(14): p. 5859-5864.

[6].Xu,J., et al., A genomic view of the human-Bacteroides thetaiotaomicronsymbiosis. SCIENCE, 2003. 299(5615): p. 2074-2076.

[7].Eckburg,P.B., et al., Diversity of the human intestinal microbial flora.SCIENCE, 2005. 308(5728): p. 1635-1638.

[8].Turnbaugh,P.J., et al., The Effect of Diet on the Human Gut Microbiome: AMetagenomic Analysis in Humanized Gnotobiotic Mice. SCIENCETRANSLATIONAL MEDICINE, 2009. 1(6ra146).

[9].Sonnenburg,J.L., C.T.L. Chen and J.I. Gordon, Genomic and metabolic studies ofthe impact of probiotics on a model gut symbiont and host. PLOSBIOLOGY, 2006. 4(e41312): p. 2213-2226.

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